近日，热带作物生物育种全国重点实验室/中国热带农业科学院/热带生物技术研究所/三亚研究院阙友雄和吴期滨团队联合崖州湾国家实验室/广西大学王海峰教授在国际权威学术期刊《Plant Biotechnology Journal》上在线发表了题为“Cellular heterogeneity and immune responses to smut pathogen in sugarcane”的研究论文，该研究构建了首个甘蔗单细胞图谱，并通过绘制高分辨率的转录景观，率先从单细胞水平系统解析了甘蔗对黑穗病菌侵染的精细调控机制。该论文的思路是以寄主甘蔗品种的“细胞异质性”和“免疫反应”两个龙头引领作用，“戏弄”甘蔗黑穗病菌，以达到抗病目标，简称“双龙戏穗”。
甘蔗（Saccharum spp.）是全球最重要的糖料和能源作物，贡献了约80%的食糖和40%的生物乙醇。然而，甘蔗极易感染由鞭黑粉菌（Sporisorium scitamineum）引起的黑穗病，造成显著的产量和糖分损失，且宿根年限缩短。多倍体甘蔗因其基因组庞大（~10 Gb）和高度杂合，抗病机制的解析面临巨大挑战，尤其在宿主-病原互作方面，细胞类型特异性响应机制的认识有限，且难以精准定位抗病基因，严重阻滞了现代育种技术的应用。植物由数十亿个细胞组成，每个细胞都有其独特的功能和状态。单细胞转录组测序（scRNA-seq）不仅能够全面捕捉植物单个细胞的表达谱，深入探索细胞间基因表达差异，还能系统挖掘复杂组织内的细胞亚群，精准揭示细胞间的异质性，已经成为植物和病原互作研究的强大工具。
单细胞转录组测序技术在甘蔗-黑穗病菌互作研究中的应用，将有效构建病菌侵染过程的单细胞图谱，揭示细胞类型特异调控机制，并精准定位抗病基因，最终推动基于细胞精细调控的分子育种策略开发。为此，本研究首先优化了甘蔗原生质体提取方法，并利用scRNA-seq对黑穂病菌侵染后的甘蔗芽中65,660个细胞进行了分析。研究系统识别了不同类型细胞的“身份标记基因”，并揭示了不同抗性甘蔗品种对黑穗病菌侵染的多样化细胞响应机制（图1）。此外，通过“伪时间轨迹分析”，模拟甘蔗芽在生长过程中不同细胞类型的发育路径，找出了在细胞命运转变中起关键作用的调控基因，这些基因大多与植物激素响应和代谢活动有关。研究还发现一个水杨酸信号通路相关基因ScNPR3。该基因的表达受黑穗病菌侵染的诱导，并在细胞核中与转录因子ScTGA2相互合作，进而抑制植物的免疫反应，暗示ScNPR3可能通过协调生长与免疫反应，在甘蔗对抗黑穗病的过程中发挥作用。综上，研究首次构建了甘蔗scRNA-seq图谱，并率先揭示了甘蔗与黑穗病菌互作的单细胞水平响应机制。为深入理解甘蔗的抗病机制提供了全新的视角，并为通过靶向基因改良提升甘蔗抗黑穗病性，提供了新的思路和策略。
图1 甘蔗单细胞图谱及其抗黑穗病的分子机制
中国热科院生物所/福建农林大学联合培养博士研究生臧守建和热带作物生物育种全国重点实验/中国热科院生物所/三亚研究院吴期滨副研究员为该论文的共同第一作者。中国热科院甘蔗研究中心主任/热带作物生物育种全国重点实验室/中国热科院生物所/三亚研究院阙友雄研究员、吴期滨副研究员和崖州湾国家实验室/广西大学王海峰教授为本文共同通讯作者。中国热科院生物所/三亚研究院孙婷婷副研究员、王东姣助理研究员，福建农林大学农学院苏亚春副研究员和在读硕士研究生崔天真、李振香和孙欣路参与研究工作。该研究得到中国热带农业科学院国家热带农业科学中心科技创新团队、国家自然科学基金、热带作物生物育种全国重点实验室科研项目、国家重点研发计划、中央引导地方科技发展专项、国家糖料产业技术体系和福建农林大学科技创新专项资金等项目的联合资助。
原文链接：http://doi.org/10.1111/pbi.70084
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